CN102094723B - 一种活塞及其裙部截面形状的优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种活塞，该型面的截面曲线为如下类椭圆直径变量参数方程：

其中，

-第n条曲线与其上一曲线的径向最大间距；α-截面与椭圆长轴的角度；J-曲线的起点与椭圆长轴的夹角；J′-曲线的终点与椭圆长轴的夹角；μ′-变量系数，

ΔD-类椭圆直径变量。本发明由于采用的方程为

的简谐曲线，拥有较小的最大加速度和有限的阶跃值，有连续的位移、速度和加速度曲线特征。加速度小可以减小动态负荷，减轻刀具进给系统的高速响应要求，提高切削时的工作转速；有限的跃度能提高系统工作的平稳性；位移曲线、速度曲线和加速度曲线的连续，可以避免切削过程的刚性冲击和柔性冲击。本发明还提供了一种活塞裙部截面形状的优化方法。

Description

一种活塞及其裙部截面形状的优化方法

技术领域

本发明涉及发动机活塞技术领域，特别涉及一种外圆截面曲线光滑的活塞及其裙部截面形状的优化方法。

背景技术

为了满足未来汽车的要求，发动机强化程度日益提高，活塞所承受的负荷也日益严峻，对活塞外圆形状的要求也逐步提高，活塞外圆横截面形状因种种因素的影响变得复杂起来，如不对称椭圆、局部偏心椭圆、数次偏心及叠加椭圆等等，而国内对活塞横截面形状设计与加工研究不足，造成国内在活塞横截面形状的设计与加工上存在很大的局限性。

另外，对于外圆形状复杂的活塞往往通过逐点调整进行控制，造成在加工过程中，调整困难和曲率变化带来的尺寸的波动，在对活塞要求日益提高的今天，将存在着严重的质量隐患。

活塞在内燃机里的作用主要是传递力、密封、导向和传热。活塞裙部截面在实际工作时最理想的状态是趋近于圆，这样能更好的与缸套贴合，完成均压承力和导向等作用。

活塞在高温、高压、高速的环境下工作，由于受到机械应力和热应力的共同作用，活塞就会产生变形。这样在活塞设计时，需要把活塞外圆设计成非圆形状，以弥补机械变形、热变形产生的形变。

活塞外圆截面的数学模型有偏心圆、标准椭圆、二次椭圆以及偏心圆弧与正矢曲线结合等。

如图1所示，数学模型为偏心圆的活塞外圆截面为两圆弧段加上两偏心圆弧段组成，通过采用偏心车削得到近似椭圆。

其关系式为：

偏心距ε＝Δ/(1-cos(0.5φ))；

偏心圆半径R＝(0.5D1+ε)-Δ。

其中，Δ为标准圆到偏心圆的距离；φ为偏心圆起点与终点的夹角。

如附图2所示，数学模型为标准椭圆的活塞外圆截面为正矢曲线椭圆。

在上式中，椭圆度＝a-b；ΔD＝a-c(直径减薄量)；

其中，a为椭圆长轴；

b为椭圆短轴；

α为截面角度(截面处与长轴的夹角)；

c为截面角度为α处的椭圆两点间的距离。

如图3所示，数学模型为二次椭圆的活塞外圆截面为椭圆时，在α＝±45°进行修正，可加厚，也可减薄，则得到二次椭圆截面。

ΔD＝ΔD₁±ΔD₂，其中，

其中，正叠加取“-”号(减薄)，负叠加取“+”号(加厚)，

为标准椭圆方程，

为二次椭圆方程。

在上式中：

ΔD为直径减薄量，ΔD₁为直径为长轴a的基圆上减薄成椭圆时的减薄量，ΔD₂为在上述椭圆的基础上减薄成二次椭圆的减薄量。

上述几种外圆截面模型过于简单，已不适用于高速、高压工作环境，达不到低排放、低能耗的要求。

活塞外圆截面采用偏心圆的缺点是在圆弧与偏心圆连接处突变，存在尖角，易造成过度磨损，外圆直径变化量过于简单，只能适应于低档、低压、低速的内燃机。

标准椭圆活塞大大增加了活塞裙部与气缸的贴合面积，降低了比压，减少了磨损，但活塞裙部时常在工作中发生α＝±45°处存在擦伤痕迹，表明活塞外圆设计不理想。

活塞裙部椭圆度不足可能导致活塞卡死，但椭圆度过大，会使裙部与汽缸的实际接触面减小，磨损与拉毛的倾向增大。活塞工作时，受到机械应力和热应力共同作用，其变形量往往是不规则的，不是椭圆、二次椭圆、或者偏心圆加椭圆就能表达清楚的。

所以，上述偏心段圆线都存在：横截面交点处存在尖点；纵截面过渡不平滑；偏心部分车削材料过多等产品质量问题。抛物线、过渡曲线在其连接端存在加速度跃变，引起切削过程有震颤，影响到加工质量，加工质量往往达不到设计要求。在高效率加工时，机床高速运转，加速度也大，易引起加工尺寸不稳定，波动大，因此要求机床的响应能力相当强，一般的机床很难实现产品要求。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种活塞，以拥有较小的最大加速度和有限的阶跃值。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种活塞，该活塞的裙部截面曲线为如下椭圆直径变量参数方程：

$\mathrm{\ΔD}=\underset{n=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\frac{T_n}{2}\{1-\cos [{\mathrm{\μ}}^{\′}\×(\mathrm{\α}-J)\left]\right\}$ 0°≤J≤α≤J′≤360°；其中，

-第n条曲线与其上一曲线的径向最大间距，当n＝1时，其上一曲线为基圆；

α-截面与椭圆长轴的夹角；

J-曲线的起点与椭圆长轴的夹角；

J′-曲线的终点与椭圆长轴的夹角；

μ′-变量系数，

ΔD-椭圆直径变量。

优选的，在上述活塞中，该活塞的裙部截面曲线的偏心段为一个变量椭圆线，其方程为：

$\mathrm{\ΔD}=\frac{T}{2}\×[1-\cos \left(2\mathrm{\α}\right)]+\frac{T^{\′}}{2}\×[1-\cos \left(4\mathrm{\α}\right)]+\frac{E^{\′}}{2}\×\{1-\cos [\frac{2*180}{J^{\′}-J}\×(\mathrm{\α}-J)\left]\right\},(\mathrm{\α}>J);$

其中，T-椭圆度；

T′-叠加椭圆度；

E′-双边偏心量；

J-偏心段曲线起点与椭圆长轴夹角；

J′-偏心段曲线终点与椭圆长轴的夹角

α-截面与椭圆长轴的夹角；

ΔD-椭圆直径变量。

一种活塞裙部截面形状的优化方法，根据如下类椭圆直径变量参数方程进行建模，该方程为：

$\mathrm{\ΔD}=\underset{n=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\frac{T_n}{2}\{1-\cos [{\mathrm{\μ}}^{\′}\×(\mathrm{\α}-J)\left]\right\}$ 0°≤J≤α≤J′≤360°；其中，

-第n条曲线与其上一曲线的径向最大间距，当n＝1时，其上一曲线为基圆；

n-为自然数；

α-截面与椭圆长轴的夹角；

J-曲线的起点与椭圆长轴的夹角；

J′-曲线的终点与椭圆长轴的夹角；

μ′-变量系数，

ΔD-椭圆直径变量。

从上述的技术方案可以看出，本发明与现有几种基本过渡曲线(抛物线、三次多项式、五次多项式、摆线曲线)相比，本发明由于采用方程为

的简谐曲线相对于其它曲线，拥有较小的最大加速度和有限的阶跃值(加速度导数)，有连续的位移、速度和加速度曲线特征。位移曲线、速度曲线和加速度曲线的连续，避免了切削过程的刚性冲击和柔性冲击。而且该曲线拥有小的加速度，可以减小动态负荷，减轻刀具进给系统的高速响应要求，提高切削时的工作转速；有限的跃度，提高了系统工作的平稳性。综上所述特性，机床在切削过程中运转平稳，切削声音柔和，无异常噪音，加工尺寸较光滑，没有异常突变尖点存在。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为数学模型为偏心圆的活塞外圆截面结构示意图；

图2为数学模型为标准椭圆的活塞外圆截面结构示意图；

图3为数学模型为二次椭圆的活塞外圆截面结构示意图；

图4为本发明提供的数学模型为偏心叠加椭圆的活塞外圆截面结构示意图。

具体实施方式

本发明公开了一种活塞，以拥有较小的最大加速度和有限的阶跃值。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图4，图4为本发明提供的数学模型为偏心叠加椭圆的活塞外圆截面结构示意图。

其中1为偏心段圆线，2为偏心段椭圆线，3为偏心段变量椭圆线，4为一次椭圆，5为基圆，6为二次椭圆。

活塞裙部外圆截面一般为偏心段圆线1或者偏心段椭圆线2和二次椭圆6构成，这样活塞裙部部分部位过于扁平，存在曲线(偏心段圆线1或者偏心段椭圆线2)与二次椭圆6形成的交点过渡不够光滑。

为消除交点处的尖点，国产设备通常采用在交点处夹角的±3°～5°的范围内利用二次抛物线作为过渡曲线进行修正，以实现横截面的光滑过渡，从而来满足产品设计时的要求。抛物线过渡具有曲线拟合简单，加速度较小的特性，但是在其连接端存在加速度跃变。

所以，本发明从以下三点加以改进，首先应加大某些部位的偏心变量；其次交点处改为光滑渐变过程；其三取消过渡曲线，提高设备响应能力。

本发明用型线的数次叠加的原理进行分析，采用简谐曲线将偏心段设置为类似椭圆，最终得出椭圆偏心段为一个变量椭圆，其变量只是同夹角成比例关系的待定系数，即偏心段变量椭圆线3。

其方程式为：ΔD＝E×{1-cos[2μ′×(α-J)]}

其中，

E-偏心量(单边)，即偏心段变量椭圆线3与二次椭圆6的最大径向间距；

J-偏心起点与椭圆长轴夹角；

α-截面与椭圆长轴的夹角；

μ′-变量系数，

ΔD-椭圆直径变量，即α截面被偏心段变量椭圆线3和二次椭圆6所截线段长度2倍。

与二次椭圆方程合并后形成一个新的综合性椭圆参数方程组，称之为偏心叠加椭圆方程：

$\mathrm{\&Delta;D}=\frac{T}{2}\&times;[1-\cos \left(2\mathrm{\&alpha;}\right)]+\frac{T^{\&prime;}}{2}\&times;[1-\cos \left(4\mathrm{\&alpha;}\right)],(\mathrm{\&alpha;}<J)$

$\mathrm{\&Delta;D}=\frac{T}{2}\&times;[1-\cos \left(2\mathrm{\&alpha;}\right)]+\frac{T^{\&prime;}}{2}\&times;[1-\cos \left(4\mathrm{\&alpha;}\right)]+\frac{E^{\&prime;}}{2}\&times;\{1-\cos [\frac{2*180}{J^{\&prime;}-J}\&times;(\mathrm{\&alpha;}-J)\left]\right\},(\mathrm{\&alpha;}>J)$

其中，T-椭圆度；

T′-叠加椭圆度；

E′-双边偏心量；

J-偏心段曲线起点与椭圆长轴夹角；

J′-偏心段曲线终点与椭圆长轴的夹角；

α-截面与椭圆长轴的夹角；

ΔD-椭圆直径变量。

在综合以上各个方面的分析及研究的基础上，对数次叠加、数次偏心的复杂椭圆参数方程进行推导。(1)首先，纳入并建立独立变化的基本概念；(2)其次，对上述偏心叠加椭圆方程进行总结，找出每一个方程中的共有特性；(3)最后，对共有特性进行分析，以简谐曲线参数方程为基础，推导出相应的简谐曲线幂函数方程，最终确定包含有不对称椭圆、局部偏心椭圆、数次偏心及叠加椭圆的综合性椭圆参数方程，其变量μ′只是与椭圆段或偏心段J和J′组成的范围成比例关系的待定系数，我们称之为综合椭圆直径变量参数方程。

综合椭圆直径变量参数方程：

$\mathrm{\&Delta;D}=\underset{n=1}{\overset{\&infin;}{\mathrm{\&Sigma;}}}\frac{T_n}{2}\{1-\cos [{\mathrm{\&mu;}}^{\&prime;}\&times;(\mathrm{\&alpha;}-J)\left]\right\}$ 0°≤J≤α≤J′≤360°；其中，

-第n条曲线与其上一曲线的最大间距，当n＝1时，其上一曲线为基圆；

α-截面与椭圆长轴的夹角；

J-曲线的起点与椭圆长轴的夹角；

J′-曲线的终点与椭圆长轴的夹角；

μ′-变量系数，

ΔD-椭圆直径变量。

由于该偏心叠加椭圆方程拥有较小的加速度跃变，有连续的位移、速度和加速度曲线特征，故满足活塞外圆切削加工过程中对曲线的相关要求。本发明将上述曲线应用到活塞上，经验证不但其横截面为一条光滑曲线，无明显拐点，而且偏心段在裙部纵向的过渡平滑。有利于活塞在高速运行时的导向平稳性，同时对降低裙部比压，减少磨损也有好处。在相同设备条件下，机床的响应速度有所提高，尺寸稳定性大幅度提高。

根据上述综合椭圆直径变量参数方程进行建模，可对活塞裙部截面形状进行优化。使得由此方程建模加工的活塞拥有较小的加速度跃变，有连续的位移、速度和加速度曲线特征，故满足活塞外圆切削加工过程中对曲线的相关要求。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (3)

1.一种活塞，其特征在于，该活塞的裙部截面曲线为如下类椭圆直径变量参数方程：

$\mathrm{\&Delta;D}=\underset{n=1}{\overset{\&infin;}{\mathrm{\&Sigma;}}}\frac{T_n}{2}\{1-\cos [{\mathrm{\&mu;}}^{\&prime;}\&times;(\mathrm{\&alpha;}-J)\left]\right\}$ 0°≤J≤α≤J′≤360°；其中，

-第n条曲线与其上一曲线的径向最大间距，当n＝1时，其上一曲线为基圆；

n-为自然数；

α-截面与椭圆长轴的夹角；

J-曲线的起点与椭圆长轴的夹角；

J′-曲线的终点与椭圆长轴的夹角；

μ′-变量系数，

ΔD-椭圆直径变量。

2.如权利要求1所述的活塞，其特征在于，该活塞的裙部截面曲线的偏心段为一个变量椭圆线，其方程为：

$\mathrm{\&Delta;D}=\frac{T}{2}\&times;[1-\cos \left(2\mathrm{\&alpha;}\right)]+\frac{T^{\&prime;}}{2}\&times;[1-\cos \left(4\mathrm{\&alpha;}\right)]+\frac{E^{\&prime;}}{2}\&times;\{1-\cos [\frac{2*180}{J^{\&prime;}-J}\&times;(\mathrm{\&alpha;}-J)\left]\right\},(\mathrm{\&alpha;}>J);$

其中，T-椭圆度；

T′-叠加椭圆度；

E′-双边偏心量；

J-偏心段曲线起点与椭圆长轴夹角；

J′-偏心段曲线终点与椭圆长轴的夹角

α-截面与椭圆长轴的夹角；

ΔD-椭圆直径变量。

3.一种活塞裙部截面形状的优化方法，其特征在于，根据如下类椭圆直径变量参数方程进行建模，该方程为：

$\mathrm{\&Delta;D}=\underset{n=1}{\overset{\&infin;}{\mathrm{\&Sigma;}}}\frac{T_n}{2}\{1-\cos [{\mathrm{\&mu;}}^{\&prime;}\&times;(\mathrm{\&alpha;}-J)\left]\right\}$ 0°≤J≤α≤J′≤360°；其中，

-第n条曲线与其上一曲线的径向最大间距，当n＝1时，其上一曲线为基圆；

n-为自然数；

α-截面与椭圆长轴的夹角；

J-曲线的起点与椭圆长轴的夹角；

J′-曲线的终点与椭圆长轴的夹角；

μ′-变量系数，

ΔD-椭圆直径变量。

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